微秒脈沖激光制備黑硅材料的研究.pdf

1、晶體硅是信息產(chǎn)業(yè)重要的基礎材料，然而晶體硅是間接帶隙半導體，其在250nm-2500nm波段范圍內(nèi)的光反射率高達30％以上，并且禁帶寬度較大(1.12eV)，很難吸收波長大于1.1μm的光波，這些缺陷制約了它在硅光電器件的應用和發(fā)展。1998年哈佛大學的Mazur研究小組利用飛秒激光輻照硅表面，意外獲得了具有準規(guī)則排列的亞微米量級錐形結(jié)構(gòu)的硅材料—黑硅，其對可見(一)近紅外波段的光吸收率達90％以上，這對于改善單晶硅在紅外波段的應用帶來

2、了新的希望。近年來，科技界利用脈沖激光掃描法、電化學腐蝕法、等離子體浸沒離子注入法等多種手段來制備黑硅材料，其中飛秒激光掃描法是黑硅研究的熱點。利用激光輻照的方法制備黑硅無需掩膜板，可嵌入到半導體制造過程中，但是飛秒激光設備昂貴，不利于大面積、低成本生產(chǎn)黑硅材料。本文試圖采用價格低廉的微秒脈沖激光制備黑硅材料，并實現(xiàn)微秒脈沖激光誘導硅表面微結(jié)構(gòu)的有效控制，以期獲得微結(jié)構(gòu)和光學性能優(yōu)良的黑硅材料。
　　論文的主要工作和研究成果有以下

3、幾個方面:
　　1.研究了脈沖激光與固體材料相互作用的物理原理以及激光輻照生成黑硅的機理，提出利用價格低廉的微秒脈沖激光掃描法制備黑硅材料，在一定氣體氛圍中成功地制備出了準規(guī)則排列的微米量級類錐形硅表面微結(jié)構(gòu)。這一研究工作為廉價制備黑硅材料提供了一種新的途徑，研究成果發(fā)表于EI源期刊。
　　2.搭建了微秒脈沖激光制備黑硅的試驗裝置，系統(tǒng)地研究了激光脈沖能量密度、重復頻率、脈沖寬度、激光束掃描速度及間距、工作氣氛及壓強等工藝參

4、數(shù)與黑硅表面形貌和特性的關(guān)系。研究結(jié)果表明:當激光能量密度大于0.15J/cm2，每激光光斑面積累積輻照的微秒脈沖數(shù)達到1000個，受輻照的硅表面區(qū)域開始形成類錐形微結(jié)構(gòu);在一定范圍內(nèi)，隨著能量密度、重復頻率增加類錐形微結(jié)構(gòu)高度增加，當能量密度或重復頻率過大時，微結(jié)構(gòu)規(guī)則性變差;類錐形結(jié)構(gòu)的縱橫比隨脈沖寬度、激光束掃描速度和間距的增加而減小;不同工作氣氛中制備的形貌差異較大，其中SF6中形成的錐形結(jié)構(gòu)最佳，一定范圍內(nèi)壓強增加有利于形成完

5、整的錐形結(jié)構(gòu)。微秒脈沖激光掃描法制備黑硅材料的系統(tǒng)性研究在國內(nèi)外尚未見報道，研究成果對于完善黑硅制備與理論、低成本生產(chǎn)黑硅材料打下了基礎，具有重要的應用價值。
　　3.研究了采用微秒脈沖激光輻照多種晶體結(jié)構(gòu)硅材料制備黑硅材料的方法，研究表明，采用本方法可以在多種晶向硅片上制備類錐形微結(jié)構(gòu)。
　　4.通過控制單位光斑面積累輻照的激光脈沖數(shù)的方法探討了微秒脈沖激光誘導硅表面微結(jié)構(gòu)演變過程和硅表面微結(jié)構(gòu)的形成機制。認為:在微秒脈沖

6、激光輻照硅表面初期硅表面會形成波紋狀的激光誘導周期性表面結(jié)構(gòu)，由于熱應力效應和沸騰式氣化導致表面出現(xiàn)裂紋和孔洞;中后期激光輔助化學刻蝕和再沉積機制共同作用，被輻照區(qū)域的硅表面形貌發(fā)生迅速變化，最終形成頂端高于原始硅表面的錐形結(jié)構(gòu)，在這一階段工作氣氛的種類對于最終形貌的形成有重要影響。
　　5.初步研究了微結(jié)構(gòu)黑硅材料的光反射率特性，結(jié)果表明SF6氣體氛圍中制備的黑硅樣品反射率在250nm-2500nm波段內(nèi)大幅下降，至6％以下。在